АНОМАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА И ПРИРОДА СВЕРХПРОВОДИМОСТИ В Ba1-xKxBiO3 Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 537.362

АНОМАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА И ПРИРОДА СВЕРХПРОВОДИМОСТИ В Ва1_хКхВЮ3

к

Н. В. Аишукова, А. И. Головашкин, Л. И. Иванова, А. П. Русаков

На основе измерений теплоемкости и коэффициента теплового расширения найдено, что температурная зависимость верхнего критического магнитного пом Ва\-хКхВЮъ аномальна вплоть до полей 20 Тл и коэффициент теплового расширения отрицателен при низких температурах. Предложена модель электронной структуры Ва\_хКхВгОз, объясняющая фазовый переход диэлектрик - металл при легировании и аномальные свойства.

Экспериментально обнаружено, что высокотемпературный сверхпроводник (ВТСП)

Ва,\-хКхВЮз (ВКВО) обладает рядом аномальных свойств, подобных свойствам ку-

»

пратных ВТСП. Отсутствие магнитных ионов и слоистой структуры у ВКВО вынуждают пересмотреть объяснения природы ВТСП, базирующиеся па этих фактах.

Нами был развит нитратный метод приготовления высококачественных образцов ВКВО. Образцы характеризуются большой величиной эффекта Мейсиера (50-70%), которая достигается в узком интервале температур ДТ < 5 К. Эти данные превышают известные из литературы значения в 5-10 раз. Столь высокое качество образцов дало возможность получить ряд новых экспериментальных результатов. В частности, оказалось возможным наблюдать скачок теплоемкости при Тс в магнитных полях до 20 Тл [1]. Это позволило получить температурную зависимость верхнего критического магнитного поля Ис2(Т) в широком интервале температур. Результаты измерения Н^Т) как адиабатическим методом, так и по магнитной восприимчивости представлены на рис. 1. Кривая принципиально отличается от зависимости, предсказываемой теорией Бардина - Купера - Шриффера (БКШ). Экспериментальная зависимость #с2(Т) для

Краткие сообщения по физике ФИЛИ

помер 1-2, 1995

ВКВО имеет аномальную положительную кривизну вплоть до полей 20 Тл. При низких температурах экспериментальные значения 11 ¿г отличаются от значений БКШ в несколько раз. На основе экспериментальной температурной зависимости теплоемкости с(Т) [1] было рассчитано значение константы электрон-фононпого взаимодействия А = 0,9. Эти и другие экспериментальные результаты для ВКВО трудно описать в рамках обычного электрон-фоионпого механизма.

Измеряя термическое расширение образцов ВКВО, мы впервые наблюдали при низких температурах отрицательный коэффициент расширения а для х < 0,4 [2]. Для х > 0,4 во всем исследованном интервале температур а > 0. Зависимость характеристической температуры То, при которой а имеет минимум, от концентрации калия х показана на рис. 2. Эта зависимость обнаруживает особенность вблизи границы фазового перехода диэлектрик - металл.

Т(К) х

Рис. 1. Зависимость //с2(Т), полученная по результатам измерения теплоемкости (точки) и магнитной восприимчивости (кресты) Ва06К0АВЮз.

Рис. 2. Характеристическая температура Т0 для разных составов ВА\-хКхВЮз (пунктир - положение фазового перехода).

Электронно-микроскопические и фотоэмисснонные эксперименты показали отсутствие "дышащей моды" Bib+ — Bi3+ в ВКВО [3], которая привлекается во многих работах для объяснения свойств ВКВО. Экспериментальные данные наталкивают на модель электронного спектра ВКВО, в которой апикальные ноны кислорода в "с" направлении октаэдра имеют разную валентность. В результате в трех кристаллических направлениях возникают цепочки кислородных ионов с чередующимися валентностями [4]. При малых х это приводит к удвоешпо параметра решетки и возникновению энергетической щели (2 эВ). Такое удвоение можно рассматривать как волну зарядовой плотности в кислородной подрешетке. Легирование калием уменьшает эту энергетическую щель. Используем эту модель для объяснения вышеприведенных экспериментальных результатов. Чтобы попять причину отрицательного значения а, заметим, что имеются две равновероятные возможности упорядочения цепочек ионов апикального кислорода, т.е. соседние ионы кислорода с разной валентностью могут находиться в двух разных эквивалентных состояниях. Но это эквивалентно двум вырожденным волнам зарядовой плотности с разностью фаз 180°. Вырождение снимается кристаллическим полем, что приводит к появлению в электронном спектре энергетической щели W для волновых векторов q = G/2 на границе зоны Бриллюэна (G - волновой вектор обратной решетки). Величина W соответствует разности потенциальных энергий соседних апикальных ионов кислорода. В этом случае частота перескока дырки между ними будет V — W/h. Диэлектрическая функция £(q, W) становится отрицательной для векторов q = G/2 и частот ш < и. Нагревание соединения с таким электронным спектром, начиная с низких температур, приводит к возбуждению фононов с частотами порядка v. Для этой области частот £ < 0, что и ведет к отрицательному значению коэффициента теплового расширения а. Взаимодействие свободных носителей через колебания с частотой и — IV/Ii и волновым вектором q = G/2 приводит к их спариванию и сверхпроводящему состоянию с малой корреляционной длиной £ в металлической фазе ВКВО. Известно [5], что при малых £ становится несправедливым приближение среднего поля и зависимость Нс2(Т) становится аномальной даже при А < 1. Спаривание носителей через указанные высокочастотные колебания с q = G/2 несомненно сопровождается спариванием через обычные фопоны. Однако спаривание лишь через обычные фононы не позволяет одновременно объяснить и высокое значение Тс и аномальную зависимость Нс2(Т), показанную па рис. 1. Нейтронные и туннельные эксперименты действительно обнаруживают интенсивные пики в спектрах колебаний ВКВО при энергиях 60 - 70 мэВ. Отсюда легко получить Тс = 30 — 40 К при А = 0,9.

Краткие сообщения по физике ФИЛИ

помер 1-2, 1995 г.

Результаты, полученные нами при исследовании тепловых и магнитных явлений в ВКВО, согласуются с недавно опубликованными результатами, найденными при рези-стивпых измерениях //с2 до 35 Т л [6] и анализе температурной зависимости проводимости [7] монокристаллов.

Предлагаемая нами модель позволяет объяснить изотопический эффект и другие свойства ВКВО. Модель может быть распространена на другие ВТСП.

Работа поддержана Научным Советом "ВТСП"' РФ в рамках проекта N 93069.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Панова Г. X., Ш и к о в А. А., С а в е л ь е в Б. И. и др., ЖЭТФ, 103, 605 (1993).

[2] А н ш у к о в а II. В., Б о г у с л а в с к и й 10. В., Г о л о в а ш к и и А. И. и др., ФТТ, 35, 1415 (1993).

[3] Verwerft M., Van Tendeloo G., H i n k s D. G., et al., Phys. Rev. В, 44, 9547 (1991).

[4] A и ш y к о в a H. В., Г о л о в а ш к и н А. И., Иванова Л. И., Русаков А. П., СФХТ, 5, 644 (1992).

[5] M i с п a s R., Ranninger J., R о b a s z k i е w i с z S., > Rev. Mod. Phys., 62, 113 (1990).

[6] Affronte M., Marcus J., Escribe-Filippini C., et al., Phys. Rev. B, 49, 3502 (1994).

[7] Г о л о в а ш к и и А. И., Г у д е и к о А. В., Ж е р и х и н а Л. Н. и др., ЖЭТФ, 106, 297 (1994).

Поступила в редакцию 14 ноября 1994 г.